Controls of seafloor depth on hydrothermal vent temperatures : prediction, observation & 2D finite element modeling

Abstract

Circulation of hot hydrothermal fluids in fractures and faults of the oceanic crust is driven by temperature and pressure gradients. Fluid discharge is focused to vertical structures, black or white smoker chimneys on the seafloor. Hydrothermal vent temperatures should hypothetically be directly related to water depth. The boiling point of seawater increases with depth and ends at the critical point, ~298.5 bar and ~407°C, which equals a seafloor depth of ~3000 m. As most vent fields are located at a shallower depth, fluid temperatures are expected to follow the boiling curve during ascend to the seafloor. Aim of this work is to identify regions of hydrothermal activity that follow or do not follow the boiling curve as well as explanations for possible deviations. Moreover it is aimed to make predictions on hydrothermal activity in regions, where no vent systems have yet been discovered.

In this work, predicted vent temperatures are computed from bathymetry data and the Equation of State for seawater (3.2% NaCl) and compiled into maps and diagrams. Poor correlation between prediction and global vent temperatures monitored on the seafloor show that those cannot be directly calculated from the boiling curve. All vent fluid temperatures lie in subcritical regions, most below the boiling curve. Higher than expected vent temperatures are rarely found.

In order to examine physical processes that could explain the discrepancy between measured and predicted vent temperatures, a numerical model for porous convection in submarine hydrothermal systems with a finite element formulation for 2D compressible fluid flow is developed in Matlab. The model simulates the evolution of hydrothermal circulation in a cross sectional area along a Mid Ocean Ridge axis with a bottom heat source of 1000°C located 1000m below the sea floor. Modeled vent temperatures for various depths agree well with the boiling curve, which confirms it as an upper temperature boundary. Moreover, the simulations demonstrate that a bottom heat supply of a decreased temperature (300°C – 800°C) results in significant lower than predicted vent temperatures. Also mixing of hot hydrothermal fluids with different amounts of cold seawater in the oceanic crust near the seafloor can explain temperature deviations below the boiling curve. The major part of compiled vent temperatures below the boiling curve can be explained by mixing with up to 40% seawater.

Calculations from global conductive heat flow data imply a high possibility of submarine hydrothermal activity in the southern hemisphere of all three major oceans: on the Southern Mid-Atlantic Ridge, the entire South-Eastern Indian Ocean Ridge as well as on the South-Western East Pacific Rise.

Abstract (Swedish)

I oceanerna finns ett system av vulkaniska ryggar, där ny oceanbotten bildas genom intensiv vulkanism. Svarta eller vita lösningar skjuter med hög hastighet ut från skorstenar, som kan vara flera meter i diameter. Upptäckten av dessa heta källor för 30 år sedan var av stor betydelse för till exempel biologin: man hittade levande organismer vid skorstenarna. Dessa kan överleva trots det höga trycket och avsaknaden av ljus. Deras primära energikälla utgörs av kemosyntetiska bakterier. Denna livsform är möjligen direkt relaterad till uppkomsten av liv på jorden. Lösningarna från de heta källorna innehåller även många metaller, som avsätts vid skorstenarna. Metallerna kan i en framtid bli föremål för utvinning. Exempel på metaller som skulle kunna utvinnas är silver, guld och kopper. Kallt havsvatten tränger in genom sprickor djupt ner i havsbotten, där de värms upp av den magmatiska värmekällan, som finns ännu djupare ner. Uppvärmningen gör att lösningarnas densitet minskar och de stiger då åter upp mot havsbotten och ersätts av nytt kallt nedträngande vatten. På vägen genom oceanskorpan löser de heta, aggresiva lösningarna ut mineral och metaller ur berget. Detta förändrar lösningarnas kemiska sammansättning och ger dem deras olika färger. När de når havsbottnen har dessa s.k. hydrotermala lösningar temperaturer från ~10°C upp till ~400°C.

Koktemperaturen för alla vätskor inklusive de hydrotermala lösningarna ökar med stigande tryck. I denna undersökning antas att hydrotermala lösningar råkar i kokning under transporten upp till havsbotten. Detta skulle innebära att lösningens temperatur kan förutsägas direkt från havsbottnens djup, eftersom vattendjupet enkelt kan räknas om till tryck.

Kartor och diagram i global skala över utflödestemperaturer beräknade från kokpunktskurvan och uppmätta temperaturer visar dålig överensstämmelse. De flesta uppmätta temperaturerna är lägre än kokpunkten. Det måste finnas fysikaliska processer, som förklarar skillnaden mellan de förutsagda och de verkliga utflödestemperaturerna. I den här undersökningen har en 2D datamodell utvecklats, som simulerar lösningarnas cirkulation i en tvärsnittsyta av en mittocean rygg. Värmekällan antas vara en magma med en temperatur av 1000°C belägen 1000 meter under havsbotten. Denna modell ger utflödestemperaturer, som för olika vattendjup stämmer väl överens med kokpunktskurvan. Simuleringar, där värmekällan har lägre temperatur (300°C – 800°C), kan förklara signifikant lägre utflödestemperaturer. Kristallisationsprocesser i magmakammaren eller episodisk magmatillförsel är möjliga orsaker till att värmekällan har en lägre temperatur. En annan process som kan vara viktigt för att förklara lägre utflödestemperaturer är, att de varma hydrotermala lösningarna blandas med olika mängder av kallt havsvatten. Detta skulle ske i oceanskorpan men ganska nära hasvbotten.

Beräkningar från globala värmeflödesmätningar från jordens inre, tyder dessutom på en hög sannolikhet för svarta och vita rökare på havsbotten i alla stora oceaner på den södra hemisfären.

• author: Andersen, Christine
• supervisor: Anders Lindh; Raimund Muscheler; Lars Rüpke
• organization: Department of Geology
• alternative title: Heta källor på havsbotten : kan man förutsäga deras temperatur och global utbredning?
• year: 2010
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: porous convection, compressible fluid flow, boiling, mixing, low heat supply, conductive heat flow, porös konvektion, kompressibelt flöde, kokning, blanding, lågtempererad värmekälla, konduktivt värmeflöde
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 267
• language: English
• additional info: Lars Rüpke, IFM-GEOMAR, Kiel.
• id: 2278715
• date added to LUP: 2012-01-10 14:58:32
• date last changed: 2012-01-10 14:58:32